碳纤维加固技术在改建桥梁补强工程中的应用

姜春荣

（江苏东方交通工程有限公司，江苏 盐城 224700）

1 概述

碳纤维单向布具有高强度、高弹性模量和耐久性好等优点。应用专用的树脂和碳纤维布，按设计要求粘贴于砼表面，从而达到结构物加固补强效果。通过对梁、板、柱等进行加固前后大量对比试验，力学性能显著得到提高，据试验研究统计粘贴一层碳纤维单向布的梁板，其抗弯性能可提高5～8%。此技术与其他粘钢、喷射砼等加固技术相比，具有自重小、施工简便、施工周期短和耐久性好等特点。

在美国、日本，上世纪80年代初就进行了碳纤维加固技术的试验研究，特别是日本，从规范的制定到工程的广泛应用，使碳纤维加固技术已经变得相当成熟，目前已经大量使用此技术。据有关资料统计，仅日本1997年用于加固修复的碳纤维布使用量就达70万m2。我国于上世纪90年代末开始碳纤维加固技术的试验研究，并在近2～3年内在房屋建筑中有了一定数量的工程实践，但是在桥梁工程中应用极为有限，目前全国仅有区区数例。我国近两年来，科研单位和院校在这方面的研究和应用做了大量工作，生产出一系列的碳纤维复合材料，使工程降低了费用，同时也取得了较成熟的设计方法和施工经验，为广泛推广该技术创造了有利条件。

2 改建桥梁工程设计简介

团结、冯家、双庙桥等桥梁均在S342虞宜线上，分别位于无锡锡山羊尖、安镇、查桥等，于1988年建成。改建桥梁上部结构为1跨、L＝10m预应力砼先张法空心板梁，未设中央隔离带，内外侧分别为机动车道和人非混合车道，全宽25m，荷载标准为汽车-20级、挂车-100。随着S342虞宜线交通量的增长，以上三座桥现有的宽度已不能满足交通量的需要，为确保虞宜线成为锡沪路上城市快速路，需将原况桥梁向南、北两侧拓宽至35m，将原双向四车道桥梁拓宽改建为双向六车道桥梁，并新建人非混合车道桥。原况桥上部结构主梁，对应机动车道和非机动车道部分的荷载均按汽车-20级、挂车-100设计，并且拓宽改建后的要求荷载均为汽车-超20级、挂车-100。

为节省工程投资，利用老桥且根据现虞宜路交通不允许中断的情况，经有关部门批准，确定将全线的预应力板梁（新建桥梁除外）进行补强加固处理，全线桥梁加固面积284m2。

3 加固方案和材料的选定

3.1 加固方案的选定

由于老桥施工端面状况较好，经过优化方案的比选，最终选用新型的碳纤维复合材料进行补强加固。主要利用它极强的抗拉强度（是普通Ⅱ级钢筋抗拉强度的10倍以上），其弹模也与钢材相当。其自重轻，对原结构的厚度增加很小，加固后的表面可进行各种装饰喷涂。施工时不需要特殊设备及大型机械设备，不需中断交通。不需大的施工空间，施工周期短。费用比用钢材加固稍高。另外施工简便，适用于要求施工周期短的加固工程。

3.2 材料的选定

日本、美国的一些碳纤维生产企业在国内有很多代理，他们的产品质量不错，并且对施工进行技术指导。从已完成加固的工程量来看，很多项目均采用直接引进成品碳纤维，但费用较高。近期由于国产化系列的碳纤维复合材料的出现，为该工程材料的选用奠定了基础。本次加固采用的碳纤维是从日本引进的原料丝，质量可靠稳定，在国内进行编织生产，大大降低了费用。其各项性能指标已基本达到国外同类产品的水平，可以满足工程的需要。根据对现况梁的受力计算，以及碳纤维布的力学性能及能够有效粘结的最大层数，最终碳纤维布选用CFC-30型，该产品通过国家级质检部门的严格检验，各项性能指标已达到国外同类产品的水平。

3.3 材料性能

3.3.1 耐久性

桥梁结构长期暴露在室外，平时有风霜雪雨的作用，以及阳光的直接曝晒。冬夏季温差大。大气中的二氧化硫含量高，冬季除冰盐的使用会增加结构物中氯离子的含量，因此，碳纤维材料在桥梁工程中的使用相对于民用建筑而言，提出了更高的要求。针对本桥应该满足的耐久性要求，我们在选择碳纤维布时严格要求其各项耐久性指标，主要有：①暴露于户外的耐候性，②抗紫外线性能。

多年加速暴露实验证实，碳纤维的强度和粘着性能在相当于50年时间内不发生劣化。通过红外线分光实验，确认内部环氧树脂完好无损。

3.3.2 耐热、耐寒性

复合材料在-54℃、23℃、82℃强度不降低。混凝土补强试件从-20℃至50℃，3小时内10次循环浸渍，抗弯曲强度不降低。

3.3.3 耐水性

70℃浸渍30天，抗拉强度、搭接强度不降低。

3.3.4 耐化学腐蚀性

①耐盐水腐蚀性能。复合材料在35℃盐水下，浸泡1年，强度不降低。

②耐酸性。在10%硫酸浸渍3个月后，纤维片、复合材料混凝土补强试件强度都不降低。

③耐碱性。复合材料在40℃氢氧化钙饱和盐水中浸泡300个小时后，强度不降低。

3.4 材料作用

3.4.1 碳纤维单向布，用于加固补强。

3.4.2 表面处理树脂，用于被加固砼结构的表面处理。

3.4.3 修平树脂，用于砼结构表面修平。

3.4.4 浸渍树脂，用于碳纤维布的粘贴、浸渍，使其与砼结合成为一个牢固整体。

通过采用上述碳纤维复合材料对钢筋梁、板等构件进行补强加固前、后不同类型的力学性能试验研究，以及对施工环境条件、施工工艺的防护层的探讨和研究，并经过反复的实验与检验证实产品质量稳定、优良。

4 施工工艺

由于碳纤维布弹模与钢筋相近，故在施工时应尽量给梁卸载，来减少梁中的钢筋及混凝土的变形，确保加固后的钢筋受到的拉应力能部分传递给碳纤维，达到两者能同步协调工作，尽量缩短原梁钢筋与碳纤维的应力应变的差值，推迟将原梁结构的钢筋受力转给碳纤维的时间，在最大荷载作用下，同时进入承载能力极限状况使梁的总体强度得到显著提高。

在恒载及活载的作用下，梁中的钢筋及混凝土存在应力。由于现板梁的结构不作改变，也就是恒载始终作用。除恒载外，桥梁结构还承受车辆的活载作用，而车流量具有波动性。在夜间，车流量很小，对交通的影响也小，故我们选择在夜间禁止大吨位车辆通行及限制交通量的方式来降低活载对梁的作用力，同时，在此季节白天温度较高，夜间温度一般在10℃～20℃，非常适合粘贴剂的施工。

施工工艺如下：

4.1 去除待加固部位的混凝土表面风化层，表面作打磨处理，并凿毛，露出新茬。施工面总体上要平整，并保持干净。

4.2 将表面处理树脂均匀涂刷在施工面上，不可有遗漏。待其不粘手时，用修平树脂找平施工面。要求施工基面平整无凹陷处。

4.3 待修平树脂不粘手时，在施工基面上均匀涂刷浸渍树脂，其厚度为3mm～5mm，要求一定将树脂全部盖住施工基面，不得有过厚、过薄或有遗漏处。

4.4 将碳纤维布拉紧展平，并铺在涂有浸渍树脂的基面上，然后用辊子滚压，排除单向布与浸渍树脂间的空气，并使浸渍树脂完全浸透碳纤维布。若发现有空气，应采取措施排除空气。要求滚压之后的碳纤维布要平直，同时布与树脂间无气泡。

4.5 涂下一层浸渍树脂在碳纤维布上，并均匀盖住。其厚度一般为1mm～2mm。要求在确认碳纤维布与树脂之间无空气后，方可涂刷。在铺设滚压最后一层单向布后，应做一次最后的压平、整理。

4.6 养护7天后，表面涂刷具有抗老化及耐腐蚀性能的防护层。根据设计要求，最后做表面装饰层，使之与周围的混凝土一致。

选用的防护层具有优异的抗老化和耐介质腐蚀性能，可在-50℃～120℃温度的环境下长期使用，此材料已在中央电视塔、三峡工程西陵长江大桥等多项重点工程中使用，效果良好。团结、冯家、双庙等桥梁加固工程自2006年9月上旬开工，2006年10月上旬竣工历时约30天，碳纤维布与梁表面粘结良好，取得了预期设计的效果。为了了解加固后的运行状况，我们一直对其进行跟踪监测，包括加固部位周边混凝土表面裂缝的观测。碳纤维表面防护层的颜色、密封性能、平整度的变化以及梁的挠度值等。通过近1年的观测，数据分析结果表明所有的变化值均在设计许可的范围之内。

5 加固优点及探讨意见

5.1 碳纤维布重量轻，施工时不用任何重型设备，其又很薄不需要较大的空间，尤其是在该工程加固空间紧张的情况下，更能显示这一优越性。

5.2 加固钢筋砼结构，采用粘贴强度高和高弹性模量的碳纤维的办法，也能取得类似于钢板的同样加固效果，但其结构重量未增加，外表也轻巧美观。

5.3 有极好的耐久性，由于加固只使用碳纤维和配套树脂，因而不会出现生锈，并具有耐酸、碱、盐和大气环境腐蚀等性能，碳纤维布有极好的抗化学作用。

5.4 在团结、冯家、双庙等桥梁加固工程中使用碳纤维复合材料加固全桥板梁，为工程节省投资，减少了施工周期，还解决了施工中不中断交通的难题，取得了较大的经济效益和社会效益，受到了有关单位的好评。通过本次近300m2的碳纤维布在桥梁补强中的成功应用，表明该项技术在桥梁工程中是切实可行的，并有极为广阔的应用前景。

5.5 由于国家尚无碳纤维桥梁加固技术的规程或规范，限制了该项技术的进一步发展，希望能尽快制定相应的技术标准，为桥梁的碳纤维加固技术提供更多、更好的技术保障。

综上所述，粘贴碳纤维复合材料新技术是加固钢筋砼结构行之有效的方法，值得推广应用。

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